CN108051342A - 一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的简单计算方法 - Google Patents

一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的简单计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种地下水‑湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的简单计算方法,具体涉及一种湖泊近岸农田浅层地下水‑湖水交互作用下氮磷等可溶性污染物入湖通量的计算方法,属于农业环境技术领域。该方法适应于隔水层以上湖岸深度与潜水厚度一致时浅层地下水‑湖水交互作用下氮磷等污染物入湖通量的计算,其不仅能计算浅层地下水‑湖水交互作用下污染物的入湖通量,还能借助模拟装置揭示浅层地下水‑湖水交互作用下污染物的迁移规律。

Description

一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的 简单计算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的简单计算 方法,具体涉及一种湖泊近岸农田浅层地下水-湖水互作用下氮磷等可溶性污染物入湖量 的观测和计算,该方法适应于隔水层以上湖岸深度与潜水厚度一致时浅层地下水-湖水交 互作用下氮磷等污染物入湖通量的观测和计算,属于农业环境技术领域。
背景技术
[0002] 由于水源优势使得湖泊近岸农田多种植蔬果类经济作物,经济作物种植过程中必 然大水大肥投入,使得过量肥料在水分入渗作用下向下运移,累积在土壤剖面中或进入浅 层地下水中。浅层地下水携带着大量的氮磷等污染物从上游潜水层通过湖岸坡迀移至湖水 中,影响湖滨带水体水质,导致湖泊富营养化的发生。
[0003] 自然情况下多数浅水型湖泊湖底平缓,湖岸与湖底以一定倾角自然衔接,特别是 当浅水型湖泊湖岸深度与潜水厚度一致,这时浅层地下水携带的氮磷等污染物通过湖岸坡 渗入湖水中。在湖泊与浅层地下水交互区域,湖水和浅层地下水交互作用下氮磷等污染物 不断进行着稀释、转化和迀移过程,影响着浅层地下水向湖泊水体输出氮磷等污染物的入 湖通量。影响氮磷等污染物入湖通量的因素主要是地下水水流量和污染物的浓度,一方面, 水量的交换取决于湖泊或地下水位的高低,即水力梯度,浅层地下水位升高,由于水力梯度 的存在使得污染物在浅层地下水流作用下通过湖岸坡进入湖水中,另一方面,污染物浓度 梯度,一般浅层地下水中高浓度污染物向湖水中进行着浓度扩散,特别是湖水位升高,湖水 对湖滨带农田影响范围扩大,富集在上层土壤中高浓度的氮磷等污染物通过浓度扩散作用 随着浅层地下水快速进入湖水中。
[0004] 目前,一般通过数值模拟和野外监测相结合的方法获取相关参数,对浅层地下水-湖水交互作用下氮磷等污染物入湖通量进行计算,但计算结果难免存在误差,而且数值模 拟过程复杂,普适性差。
发明内容
[0005] 本发明提供了一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的简单计 算方法,借助模拟装置揭示地下水-湖水互作用下近岸农田污染物的迀移规律,获取准确的 实验模拟数值,并根据模拟装置提出了适用于隔水层以上湖岸深度与潜水厚度一致时浅层 地下水-湖水交互作用下计算氮磷等污染物入湖量的简化公式,达到对浅层地下水-湖水交 互作用下污染物入湖量的准确估算。
[0006] 为了达到上述目的,本发明提出如下技术方案:
[0007] —、构建岸坡模拟土体
[0008] 在向盛土池1里装入土壤前,先根据模拟试验要求的岸坡坡度,预先固定好相应坡 度的岸坡构建模块11,即确定岸坡的坡脚α。同时测定所取土壤的容重,取的土样要过5mm 筛,去除大的石块和土粒;然后在长方体土槽和岸坡构建模块里分层装入筛分后的土壤,构 建的土体密度要与原状土一致;在填土过程中要在盛土池1和岸坡构建模块11里预埋水位 测井和溶液收集装置,以便进行模拟试验时观测水位变化及取不同层次的浅层地下水水 样;构建好的土体存放至少60天让其充分密实后,方可进行模拟试验。
[0009] 二、调节浅层地下水位控制系统、湖水位控制系统,达到初始设定的地下水水位和 湖水位,使构建的模拟土体充分饱和。
[0010] 当地下水位h >湖水位h2,且地下水渗出点水位hi > h2时,根据试验要求,通过地下 水位调节龙头5和湖水位调节龙头15确定一定高度的地下水位和湖水位水位h、h2,然后在 地下水位供水池6中先加入蒸馏水,让其通过地下水供水池水龙头7流入地下水位调节池3 内,使其逐渐达到试验要求的浅层地下水位h,同时流入地下水位调节池6内的蒸馏水还通 过顶端隔板8渗入构建好的岸坡模拟土体中,多余的蒸馏水水通过地下水位调节龙头5流出 装置外的塑料桶内,使其在地下水位调节池6内始终保持设定好的浅层地下水位h。同时流 入盛土池2中的蒸馏水通过低端隔板渗入湖水位调节池9中,同时观测岸坡渗出点水位lu, 使其逐渐达到试验要求的湖水位h2,渗入湖水位调节池9中多余的水通过湖水位调节水龙 头15流出,此时,3个地下水位为!!>^>!!2,说明地下水位和湖水位已达到试验要求设计的 水位h、h2,这时构建的模拟土体也已充分饱和。
[0011] 三、重新加入试验用的溶液,加入的溶液使其快速达到初始设定的地下水水位和 湖水位。
[0012] 当地下水位和湖水位已达到试验要求设计的水位h、h2,且构建的模拟土体也已充 分饱和时,这时关闭地下水供水池水龙头7,停止向地下水位供水池6中供蒸馏水,放干地下 水位供水池6中未流完蒸馏水,同时打开地下水位高h以下的地下水位调节龙头5和湖水位 高h2以下的湖水位调节水龙头15,让地下水位调节池3内和湖水位调节池9内的水迅速排 干。
[0013] 当湖水位1!2低于地下水渗出点的水位In时,通过调节试验要求的地下水位和湖水 位h、h2 (h>hi >h2),在地下水位供水池6和地下水位调节池3中加入配好的一定浓度的溶质 溶液或者加入取土原地的浅层地下水,地下水位调节池3内加入的溶液要达到确定的地下 水位h,并打开地下水供水池水龙头7,让地下水供水池6的溶液通过地下水供水池水龙头7 流入地下水位调节池3内,流入的地下水位调节池6内的溶液还通过顶端隔板8渗入构建好 的岸坡模拟土体中,多余的溶液通过地下水位调节龙头5流入装置外的塑料桶内。同时在湖 水供水池12和湖水位调节池9内加入蒸馏水或者取样地的湖水,并打开湖水供水池水龙头 13,通过岸坡构建模块11渗入湖水位调节池9中的溶液和通过湖水供水池水龙头13流入湖 水位调节池9中溶液高于试验要求的湖水位h2时,多余的溶液就会通过湖水位调节水龙头 15流入装置外的塑料桶中,这时的地下水渗出点水位1η>1ι2。
[0014] 四、开展模拟试验,获取模拟试验数据。
[0015] 由于水力梯度的差异,地下水位调节池中的溶液不断渗入盛土池中, 通过岸坡构建模块渗入湖水位调节池中,同时由于地下水位调节池3和湖水位调节池9溶 液浓度的差异,还会发生溶液浓度的扩散。溶液添加完成后,每天记录不同位置水位观测管 21中的水位h、地下水渗出点水位hi和湖水供水池流出水量Vi、湖水位调节池流出水量V;同 时取不同位置溶液收集装置里的水样,测定水样中氮磷等污染物浓度C,同时记录试验的时 间t;当观测的不同位置水位观测管21中的水位h、地下水渗出点水位In和不同位置溶液收 集装置里的水样氮磷等污染物浓度C基本稳定时,说明设定的地下水位和湖水位h、h2 (h> 1η>1ι2)情况下的模拟试验已经结束。
[0016] 当湖水位1!2等于或高于浅层地下水渗出点的水位Iu时,根据试验要求,通过调节湖 水位调节龙头15,提高湖水位h2,使湖水水位高于地下水渗出点水位hi,且h >h2 >hi,由于 水力梯度的差异,地下水位调节池和湖水位调节池中的溶液会不断渗入盛土池 中,两种渗入水流在盛土池内交汇,逐渐提高地下水渗出点水位hi至湖水水位高,同时由于 地下水位调节池3和湖水位调节池9溶液浓度的差异,还会发生溶液浓度的扩散。因此,溶液 添加完成后,每天记录不同位置水位观测管21中的水位h、地下水渗出点水位hi和湖水供水 池流出水量V1、湖水位调节池流出水量V;同时取不同位置溶液收集装置里的水样,测定水 样中氮磷等污染物浓度C,同时记录试验的时间t;当观测的不同位置水位观测管21中的水 位h及不同位置溶液收集装置里的水样氮磷等污染物浓度C基本稳定,且地下水渗出点水位 Iu与湖水位相等时,说明设定的地下水位和湖水位h、h2 (h>hl >h2)情况下的模拟试验已经 结束。
[0017] 模拟试验完成后取模拟土体样,通过达西定律的渗流试验,测定土体的渗流系数, 即K值;
[0018] 五、根据上述两种情况,计算地下水-湖水交互作用下氮磷等污染物随浅层地下水 迀移的入湖量,具体步骤如下:
[0019] 第一步,浅层地下水-湖水互作用下氮磷等污染物入湖量公式推导氮磷等污染物 入湖量的计算公式为流量和浓度的乘积:
[0020]
Figure CN108051342AD00071
[0021] 其中:M为氮磷等污染物的入湖量(g/h),C为污染物浓度(mg/L),Q为地下水入湖流 量(L/h)。
[0022] 当湖水位低于浅层地下水渗出点的水位线时,构建概化模型一:
[0023] 如图7所示,当湖水位低于浅层地下水渗出点的水位线时,三角形坡面ACE分为两 部分,一部分为三角形坡面BCD的浅层地下水渗出后的贴坡流,另一部分为湖水位以下直角 梯形ABDE的渗流,根据达西定律通过三角形坡面BCD内单宽流管b的渗流量q1 (m3/t m)为:
[0024]
Figure CN108051342AD00072
[0025] 通过三角形坡面B⑶的渗流量Q1 (m3/t)为:
[0026]
Figure CN108051342AD00073
[0027] 同理,通过湖水位以下直角梯形ABDE内单宽流管c的渗流量为q2(m3/t m):
[0028]
Figure CN108051342AD00074
[0029] 通过梯形坡面ABDE的渗流量出(m3/t)为:
[0030]
Figure CN108051342AD00075
[0031] 式中:K为渗透系数,a = hi-h2,m=cota,A为过水断面宽,t为时间;
[0032] 三角形坡面ACE的渗流总量为Q = QdQ2 (6)
[0033] 当湖水位等于或高于浅层地下水渗出点的水位线时,构建概化模型二:
[0034] 当湖水位等于或高于浅层地下水渗出点的位线时,根据达西定律通过三角形坡面 ABC内单宽流管的渗流量q (m3/t m)为:
[0035]
Figure CN108051342AD00081
[0036] 通过三角形坡面ABC的渗流量Q (m3/t)为:
[0037]
Figure CN108051342AD00082
[0038] 式中:K为渗透系数,h2为湖泊水位,m=cota,A为过水断面宽,t为时间;
[0039] 第二步、算模拟试验中污染物的入湖量根据试验过程中测定的地下水渗出点水位 hl、湖水位h2、渗流系数K、坡度a、渗流断面的面积、试验时间t,结合上述相应的模型可以计 算模拟试验中污染物的入湖量。
[0040] 本发明的有益效果:
[0041] 本发明提供一种适用于隔水层以上湖岸深度与潜水厚度一致时地下水-湖水交互 作用下近岸农田污染物随地下水流迀移入湖的观测方法,并根据地下水与湖水位高度变 化,提出了计算氮磷等污染物入湖量的简化公式。本方法不仅能揭示地下水-湖水交互作用 下污染物的迀移规律,还能对地下水-湖水交互作用下污染物的入湖量进行准确估算。
附图说明
[0042] 图1为本发明岸坡坡度为90°时的结构示意图;
[0043] 图2为本发明岸坡坡度<90°时的结构示意图;
[0044] 图3为本发明溶液收集装置结构示意图;
[0045] 图4为本发明岸坡构建模块结构示意图;
[0046] 图5为本发明地下水位观测管结构示意图;
[0047] 图6为湖水位低于浅层地下水渗出点的水位线示意图;
[0048] 图7为湖水位等于或高于浅层地下水渗出点的水位线示意图;
[0049] 图中,1 -盛土池、2-取样孔、3-地下水位调节池、4-地下水位调节孔、5-地下水位 调节龙头、6-地下水供水池、7-地下水供水池水龙头、8-顶端隔板、9-湖水位调节池、10-底 端隔板、11-岸坡构建模块、12-湖水供水池、13-湖水供水池水龙头、14-湖水位调节孔、15-湖水位调节水龙头、16-收集管、17-石子、18-尼龙网、19-硅胶软管、20-止水夹、21-地下水 位观测管、22-地下水位观测管盖。
具体实施方式
[0050] 下面将结合本发明实施例和附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例,都属于本发明保护的范围。
[0051] 如图1-5所示,一种地下水-湖水互作用下近岸农田污染物迀移模拟装置,包括盛 土池1、溶液收集装置、地下水位观测管21、地下水位调节池3、地下水供水池6、湖水位调节 池9、岸坡模块、湖水供水池12;所述盛土池1的前侧壁上开设有取样孔2,取样孔2上设置有 溶液收集装置,所述的溶液收集装置包括收集管16、石子17、尼龙网18、硅胶软管19和止水 夹20,收集管16设置在取样孔2上,收集管16底部填充石子17,石子17外表面铺设有至少两 层尼龙网18,对盛土池1内的溶液进行取样时,石子17和过滤尼龙网18可对取样溶液进行 粗过滤,过滤掉大部分泥土等杂质,避免杂质影响后续的检测实验。收集管16外端部设置有 硅胶软管19,硅胶软管19上设置有止水夹20,需要取样时,取下止水夹20,使得取样液从硅 胶软管19中流出,取样完成后,用止水夹20夹紧硅胶软管19,起到止液的作用,操作简单, 取样方便。优选地,取样孔2水平排列设置有至少两个,竖直排列设置有两行,可通过不同 的取样孔2对盛土池1不同深度处的溶液进行取样,通过多点取样进行实验检测,保证实验 参数更为完整。盛土池1内从右往左等间距排布设置有地下水位观测管21,地下水位观测管 21侧壁开设有渗水孔,顶部设置有管盖22,通过水位观察管可观察盛土池1内的水位高度。 盛土池1 一侧设置有地下水位调节池3,地下水位调节池3与盛土池1之间通过带孔的顶端 隔板8隔开,模拟实验过程中,水可以从顶端隔板8的孔自由通过,以使得盛土池1与地下水 位调节池3连通。地下水位调节池3—侧设有竖直排列的地下水位调节孔4,每个地下水位 调节孔4上安装一个地下水位调节龙头5,通过不同高度的地下水位调节龙头5,可以调节地 下水位的高度。地下水位调节池3的上方设置有地下水供水池6,地下水供水池6上设置有用 于给地下水位调节池3供水的地下水供水池水龙头7,地下水供水池6内为配置的试验所需 氮磷等一定浓度的溶液或取样地的地下水,通过地下水供水池水龙头7向地下水位调节池3 内供应溶液。盛土池1的另一侧设置有湖水位调节池9,湖水位调节池9与盛土池1之间设置 有岸坡模块,岸坡模块用于模拟湖岸坡。若试验要求的岸坡坡度为90°时,则岸坡模块为竖 直设置的带孔的底端隔板10,盛土池1底部和两侧壁上均开设有用于安装底端隔板10的卡 槽。模拟过程中,盛土池1的溶液可通过底端隔板10的孔渗透到湖水位调节池9内,湖水位调 节池9内的湖水也能从底端隔板10的孔进入盛土池1内。底端隔板10的高度与盛土池1填充 的土层高度一致。若试验要求岸坡坡度<90°,则岸坡模块为相应坡度的岸坡构建模块11, 岸坡构建模块11用于模拟湖岸坡,通过不同坡度岸坡构建模块11的组装和拆卸可以实现岸 坡构建模块11的坡度调节,来满足试验过程中对岸坡坡度的需求,岸坡构建模块11无左侧 壁和底壁,有坡度的壁面均匀分布有孔。湖水位调节池9底部设置有用于安装岸坡模块的卡 槽,便于不同坡度岸坡构建模块11的拆卸和组装,通过不同坡度模块的组装和拆卸可以实 现岸坡构建模块11的坡度调节,来满足试验过程中对岸坡坡度的需求。模拟过程中,盛土池 1的溶液可通过岸坡构建模块11的孔渗透到湖水位调节池9内,岸坡构建模块11外侧的湖水 也能从岸坡构建模块11侧壁的孔进入盛土池1内。岸坡构建模块11的高度与盛土池1填的土 层高度一致,长度与相应坡度要求的长度一致。湖水位调节池9上方设置有湖水供水池12, 湖水供水池12内为试验所需的去离子水或取样地的湖水,湖水供水池12设置有用于给湖水 位调节池9供水的湖水供水池水龙头13,湖水供水池12可为湖水位调节池9提供水,通过开 启湖水供水池水龙头13向湖水位调节池9中供水,湖水位调节池9其中一侧开设有竖直排列 的湖水位调节孔14,湖水位调节孔14上设置有湖水位调节水龙头15,通过湖水位调节池9上 的湖水位调节水龙头15,可实现湖水位调节池9内的水位调节。装置解决了在湖泊近岸农田 地下水-湖水互作用下目前无法监测氮磷等污染物随地下水流的时空迀移规律的问题,而 且该装置相比野外监测更为便利,成本低,缩短试验周期、降低试验工作量、提高试验精度, 不但能模拟湖泊近岸农田地下水-湖水互作用下的氮磷等污染物随地下水流的迀移过程, 还能进而为湖泊近岸农田氮磷等污染物入湖通量的确定提供科学、合理的数据。此外,本装 置不但能观测氮磷等元素,还可以观测其它可溶于水的其它元素。优选地,所述的岸坡构建 模块11与湖水位调节池9底部的卡槽连接处、岸坡构建模块11的岸坡坡面与湖水调节池两 侧的连接处均设置有密封条,避免出现漏水现象,影响实验结果。
[0052] 以硝态氮为例,利用推导的模型和上述装置获得的计算参数,对模型进行验证。具 体实施例如下:
[0053] 实施例1湖水位低于浅层地下水渗出点的水位线
[0054] 模拟试验的长方体土槽尺寸为长3.5m,宽0.6m,高1.2m,浅层地下水位调节池长 0.5m,湖水位调节池长2m,长方体土槽、浅层地下水位调节池和湖水位调节池为一体化构 造。长方体土槽中构建的土体高度为Im,按照模拟试验要求的岸坡坡度为60°,模拟试验用 土来自于洱海近岸农田剖面土壤。
[0055] 在填土前,挖深为Im 土壤剖面,挖出的各层土要充分混合,在填土前,根据确定的 岸坡60°,预先固定好岸坡为60°的岸坡构建模块,岸坡构建模块固定好后,开始填过5mm筛 的混合土样,每20cm—层进行分层填充,进行压实至相应的土体容重,然后为了两层土衔接 紧密,再用铲子刮起压实的表层土,然后再进行20-40cm填充,反复如此,直至填到土体高度 为120cm。构建的土体密度要与原状土一致。填土的过程中要在长方体土槽侧壁相应取样孔 安装溶液收集装置,安装好的溶液收集装置要与取样孔持平。同时要在长方体土槽和岸坡 构建模块相连处埋1根水位测管,以后每隔〇. 7m埋一根,共埋4根,以便进行模拟试验时观测 水位变化。构建好的土体存放至少60天让其充分密实后,进行模拟试验。
[0056] 试验要求的浅层地下水位为90cm,湖水位为30cm,然后在浅层地下水位供水池中 加入蒸馏水,让其通过构建好的土体渗入湖水调节池中,使土体充分饱和,并逐渐达到试验 设定的浅层地下水位和湖水水位。然后在浅层地下水供水池中换入用KNO3配置的浓度为 50mg/L硝态氮溶液,使其不断流入浅层地下水位调节池中,多余的水通过浅层地下水位调 节孔流出装置外,流出的水用塑料桶收集。同时,在湖水供水池中加入蒸馏水,使其不断流 入湖水位调节池中,通过渗流进入湖水位调节池的浅层地下水和湖水供水池流进湖水调节 池多余的蒸馏水通过湖水位调节孔流出装置外,流出的水用塑料桶收集。
[0057] 根据试验过程中测定浅层地下水位渗出点水位lu、湖水位h2、渗流系数K、边坡系数 c〇t60°、渗流断面的面积、试验时间t (表1)、湖水供水池流出水量V1、湖水位调节池流出水 量V和水样中硝态氮浓度C (表2),结合相应的概化模型可以计算模拟试验中污染物的入湖 通量。
[0058] 表1计算实施例中渗流量需要的参数
[0059]
Figure CN108051342AD00101
[0060] 根据公式3和公式5计算的&amp;为4.181711,〇2为3.891711,实施例一总的渗流量〇为 8.07L/h。B⑶处溶液收集装置测定的水样中硝态氮30d平均浓度为 35.53mg/L,ABDE处溶液 收集装置测定的水样中硝态氮30d平均浓度为16.41 mg/L,根据公式1计算的BCD处的硝态 氮入湖通量为148.62mg/h,ABDE处硝态氮入湖通量为63.81mg/h,实施例一硝态氮总的入湖 通量为212.42mg/h。
[0061] 模拟试验中实测的渗流量V2 = V-V1 = TJeiVh,与通过公式计算的渗流量(8.07 L/ h)接近,也说明通过公式3和5对渗流量Q的计算比较适合。
[0062] 表2实施例中硝态氮浓度mg/L
[0063]
Figure CN108051342AD00111
[0064] 实施例二:湖水位等于或高于浅层地下水渗出点的水位线
[0065] 在实施例一的基础上,设定湖水位湖水位h2S8〇Cm,其它试验条件不变,在两侧水 位平衡后,每天从ABC处溶液收集装置收集水样,详细参数见表1和2。
[0066] 根据公式8计算的渗流量Q为7.27L/h,ABC处溶液收集装置测定的水样中硝态氮 30d平均浓度为10.32mg/L,根据公式1计算的ABC处硝态氮入湖通量为180.18mg/h。
[0067] 模拟试验中实测的渗流量V2 = V_Vi = 7 . 18L/h,与通过公式8计算的渗流量 (7.27L/h)接近,也说明通过公式8对渗流量Q的计算比较适合。
[0068] 本发明提供一种适用于隔水层以上湖岸深度与潜水厚度一致时地下水-湖水交互 作用下近岸农田污染物随地下水流迀移入湖的观测方法,并根据地下水与湖水位高度变 化,提出了计算氮磷等污染物入湖量的简化公式。本方法不仅能揭示地下水-湖水交互作用 下污染物的迀移规律,还能对地下水-湖水交互作用下污染物的入湖量进行准确估算。
[0069] 需要说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本 发明的保护范围内。

Claims (8)

1. 一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的简单计算方法,其特征 在于,利用地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物迀移的模拟观测装置计算隔水层以 上湖岸深度与潜水厚度一致时浅层地下水-湖水交互作用下氮磷等污染物入湖通量,步骤 如下: 第一步、利用地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物迀移的模拟观测装置构建岸 坡模拟土体; 第二步、调节浅层地下水位控制系统、湖水位控制系统,达到初始设定的地下水水位和 湖水位,使构建的模拟土体充分饱和; 第三步、加入试验用的溶液,达到初始设定的地下水水位和湖水位; 第四步、开展模拟试验,获取模拟试验数据; 第五步、利用浅层地下水-湖水互作用下氮磷等污染物入湖通量公式求得氮磷等污染 物入湖通量: M=O-OOlQXC (1) 其中:M为氮磷等污染物的入湖量(g/h),C为污染物浓度(mg/L),Q为地下水入湖流量 (L/h) 〇
2. 根据权利要求1所述的一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的 简单计算方法,其特征在于:在第一步构建岸坡模拟土体时,具体步骤如下: 按照模拟试验要求的岸坡坡度,在填土前,预先固定好岸坡构建模块,即确定岸坡的坡 脚α,在向长方体土槽和岸坡构建模块里装入土前,先测定所取土壤的土壤容重,取的土样 要过5mm筛,去除大的石块和土粒;然后在长方体土槽和岸坡构建模块里分层装入筛分后的 土壤,构建的土体密度要与原状土一致;在长方体土槽和岸坡构建模块里预埋水位测井和 溶液收集装置,将构建好的土体存放至少60天使其充分密实。
3. 根据权利要求1所述的一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的 简单计算方法,其特征在于:在第二步调节浅层地下水位控制系统、湖水位控制系统时,具 体步骤如下: 当地下水位h >湖水位h2,且地下水渗出点水位hi > h2时,通过地下水位调节龙头和湖 水位调节龙头确定一定高度的地下水位h和湖水位水位h2,然后在地下水位供水池中先加 入蒸馏水,让其通过地下水供水池水龙头流入地下水位调节池内,使其逐渐达到试验要求 的浅层地下水位h,同时流入的地下水位调节池内的蒸馏水通过顶端隔板渗入构建好的岸 坡模拟土体中,多余的蒸馏水通过地下水位调节龙头流出装置外的塑料桶内,使其在地下 水位调节池内始终保持设定好的浅层地下水位h;同时流入盛土池中的蒸馏水通过低端隔 板渗入湖水位调节池中,同时观测岸坡渗出点水位hi,使其逐渐达到试验要求的湖水位h2, 渗入湖水位调节池中多余的水一旦通过湖水位调节水龙头流出时,此时,3个地下水位为h >&amp;>&amp;,说明地下水位和湖水位已达到试验要求设计的水位h、h2,这时构建的模拟土体也 已充分饱和。
4. 根据权利要求1所述的一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的 简单计算方法,其特征在于:在第三步迅速放干地下水位供水池、地下水位调节池、湖水位 供水池、湖水位调节池内的蒸馏水,然后分别在其内加入相应的试验用溶液,加入的溶液使 其快速达到初始设定的地下水水位和湖水位时,具体步骤如下: 当地下水位和湖水位已达到试验要求设计的水位h、h2,且构建的模拟土体也已充分饱 和时,这时关闭地下水供水池水龙头,停止向地下水位供水池中供蒸馏水,放干地下水位供 水池中未流完蒸馏水,同时打开地下水位高h以下的地下水位调节龙头和湖水位高1!2以下 的湖水位调节水龙头,使地下水位调节池内和湖水位调节池中的水迅速排干; 当湖水位h2低于地下水渗出点的水位hi时,通过调节试验要求的地下水位和湖水位h、 h2 ,在地下水位供水池和地下水位调节池中加入配好的一定浓度的溶质溶液或 者加入取土原地的浅层地下水,地下水位调节池内加入的溶液要达到设计的地下水位h,并 打开地下水供水池水龙头,让地下水供水池的溶液通过地下水供水池水龙头流入地下水位 调节池内,流入的地下水位调节池内的溶液还通过顶端隔板渗入构建好的岸坡模拟土体 中,多余的溶液通过地下水位调节龙头流入装置外的塑料桶内,同时在湖水供水池和湖水 位调节池内加入蒸馏水或者取样地的湖水,并打开湖水供水池水龙头,通过岸坡构建模块 渗入湖水位调节池中的溶液和通过湖水供水池水龙头流入湖水位调节池中溶液高于试验 要求的湖水位^时,多余的溶液就会通过湖水位调节水龙头流入装置外的塑料桶中,此时 地下水渗出点水位hi > h2。
5. 根据权利要求1所述的一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的 简单计算方法,其特征在于:开展模拟试验,获取模拟试验数据的具体步骤为: 记录不同位置水位测井中的水位h、浅层地下水位渗出点水位Iu和湖水供水池流出水量 V1、湖水位调节池流出水量V;同时取不同位置溶液收集装置里的水样,测定水样中氮磷等 污染物浓度C,同时记录试验的时间t;模拟试验完成后取模拟土体样,通过达西定律的渗流 试验,测定土体的渗流系数,即K值。
6. 根据权利要求1所述的一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的 简单计算方法,其特征在于:在第一步时,通过以下步骤获取地下水入湖流量: (1)当湖水位低于浅层地下水渗出点的水位线时,构建概化模型一: 当湖水位低于浅层地下水渗出点的水位线时,三角形坡面ACE分为两部分,一部分为三 角形坡面BCD的浅层地下水渗出后的贴坡流,另一部分为湖水位以下直角梯形ABDE的渗流, 根据达西定律通过三角形坡面BCD内单宽流管b的渗流量q1 (m3/t m)为:
Figure CN108051342AC00031
通过三角形坡面BCD的渗流量Ql (m3/t)为:
Figure CN108051342AC00032
同理,通过湖水位以下直角梯形ABDE内单宽流管c的渗流量为q2(m3/t m):
Figure CN108051342AC00033
通过梯形坡面ABDE的渗流量出(m3/t)为:
Figure CN108051342AC00034
式中:K为渗透系数,a = hi_h2,m = cota,A为过水断面宽,t为时间; 三角形坡面ACE的渗流总量为Q = QdQ2⑶ ⑵当湖水位等于或高于浅层地下水渗出点的水位线时,构建概化模型二: 当湖水位等于或高于浅层地下水渗出点的位线时,根据达西定律通过三角形坡面ABC 内单宽流管的渗流量q (m3/t m)为:
Figure CN108051342AC00041
通过三角形坡面ABC的渗流量Q (m3/t)为:
Figure CN108051342AC00042
式中:K为渗透系数,h2为湖泊水位,m=cota,A为过水断面宽,t为时间。
7. 根据权利要求1所述的一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的 简单计算方法,其特征在于:所述的模拟观测装置包括长方体盛土池、岸坡构建模块、浅层 地下水位控制系统、湖水位控制系统,其中,长方体盛土池的一端通过带孔顶端面板与浅层 地下水位控制系统的浅层地下水位调节池相邻,长方体盛土池的另一端通过带孔底端面板 与岸坡构建模块相邻,岸坡构建模块设置在湖水位控制系统的湖水位调节池中。
8. 根据权利要求1所述的一种地下水-湖水互作用下湖泊近岸农田污染物入湖通量的 简单计算方法,其特征在于:所述的地下水-湖水互作用下近岸农田污染物迀移模拟装置包 括盛土池、溶液收集装置、地下水位观测管、地下水位调节池、地下水供水池、湖水位调节 池、岸坡模块、湖水供水池;所述盛土池的前侧壁上开设有取样孔,取样孔上设置有溶液收 集装置,盛土池内从右往左等间距排布设置有地下水位观测管,地下水位观测管侧壁开设 有渗水孔,顶部设置有管盖,盛土池一侧设置有地下水位调节池,地下水位调节池与盛土池 之间通过带孔的顶端隔板隔开,地下水位调节池一侧设有竖直排列的地下水位调节孔,地 下水位调节孔上设置有地下水位调节龙头,地下水位调节池的上方设置有地下水供水池, 地下水供水池上设置有用于给地下水位调节池供水的地下水供水池水龙头,盛土池的另一 侧设置有湖水位调节池,湖水位调节池与盛土池之间设置有岸坡模块,湖水位调节池上方 设置有湖水供水池,湖水供水池上设置有用于给湖水位调节池供水的湖水供水池水龙头, 湖水位调节池其中一侧开设有竖直排列的湖水位调节孔,湖水位调节孔上设置有湖水位调 节水龙头。
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